[发明专利]一种丝状染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种丝状染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，属于纳米器件领域，也属于光伏技术领域。

技术背景

染料敏化太阳能电池是一类将太阳能转化为电能的光电化学电池，其转化效率已经达到12%以上。虽然染料敏化电池的效率不是很高，但是它有很多优势，如低成本、易大面积化、在弱光或漫射光下依然具有较好的性能、可与建筑中的材料相兼容（可实现实用化）。基于这些优势，染料敏化太阳能电池是取代硅基电池的一个很好的选择。

染料敏化太阳能电池的作用机理是仿照绿叶光合作用的。电池由以下几个部分组成：半导体氧化物形成的光阳极、染料、电解质、具有催化性和导电性的对电极。其作用机理即是太阳光使染料分子受激激发出电子，光生电子转移到光阳极半导体氧化物的导带，然后通过半导体氧化物传递到导电基底上，然后电子传输到外电路形成电流，并到达对电极，完成一个循环。其中，染料起着吸收光能形成电子的作用，电解质起着氧化还原的作用，光阳极半导体氧化物起着传递电子的作用。

目前研究的较多的是平面染料敏化电池。它是一种基于导电玻璃基底的传统的器件结构。二氧化钛致密层以及多孔层依次涂抹在氟掺杂锡氧化物导电玻璃（FTO）上作为光阳极。对电极即将铂磁控溅射沉积在氧化铟锡导电玻璃（ITO）上。这种传统的基于导电玻璃的染料敏化电池虽然制备简单、效率高，但是它却制约着染料敏化电池的发展。首先，玻璃导电基底的大量应用增加了染料敏化电池的成本；其次，玻璃是一种易碎的刚性材料，这一点限制了染料敏化电池在实际生产中的应用。基于以上一些限制，现在发展了许多基于柔性基底的染料敏化电池的研究。

柔性染料敏化电池一般是基于导电柔性塑料和导电金属基底。导电柔性塑料的优点是具有柔性和可透光性，但是其可承受的温度一般不超过200℃，因而制备的光阳极连接性和结晶性都不好，且二氧化钛与塑料基底的附着力也不是很好，这些都导致了以PET等塑料为基底的柔性电池的效率很低。应用的最多的导电金属基底是钛基底，导电金属基底的优点是其柔性且可承受高温，但是它的缺点是不透光，那么光则必须从背面入射，这样会损失大量的光。在钛基底上制备光阳极现在最成熟最常用的工艺就是用阳极氧化法直接生长二氧化钛纳米管，这种原位生长是钛基底的一个优点，钛基底的另外一个优点是其导电率要好于导电玻璃，有利于电子的收集和传输。目前在钛基底上制备光阳极组装成的染料敏化太阳能电池的效率最高可以达到6%～7%。

为了改善光的吸收方式以及开发更广泛的用途，现在很多研究集中于三维的染料敏化太阳能电池，即以纤维状基底为基础的研究，比如：碳纤维、光纤材料以及各种金属丝。而基于金属丝为基底的染料敏化太阳能电池的制备[Fan Xing，Zou De-chun, et al, Wire-Shaped Flexible Dye-Sensitized Solar Cells, Advanced Material 2008(20): 592-595]是目前研究的最多的纤维状染料敏化太阳能电池。这种电池器件一般是在金属丝表面上附着一层半导体纳米薄膜作为光阳极，利用铂丝做对电极，光阳极和对电极缠绕组装成一种三维染料敏化太阳能电池[CN102347147A, Zou De-chun]。